Особенности проектирования систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в Концертном зале Мариинского театра

А. В. Худов, главный инженер проекта;

И. Ю. Алексиков, канд. техн. наук, главный специалист отдела ХС;

В. М. Борищук, главный специалист отдела ОВ ЗАО «Бюро техники кондиционирования и охлаждения»

Краткое описание объекта

Функционально здание делится на четыре зоны (рис. 1):

Зона I. Зрительская часть. Площадь – около 3 000 м², 5 этажей. Включает кассовый узел, вестибюль, гардеробы, многоуровневое фойе с кафетериями и кулуары, располагается в новой части здания.

Зона II. Артистическая часть. Площадь – около 3 500 м², 5 этажей. Включает административные и служебные помещения Концертного зала, гримуборные и двух-уровневый репетиционный зал, располагается в исторической части здания.

Зона III. Зрительный зал на 1 150 зрителей со сценой объемом около 13 000 м³.

Зона IV. Технические и вспомогательные помещения Концертного зала. Размещаются на первом этаже под зрительным залом, а также на пятом и шестом этажах над зрительской частью.

Показанное выше деление здания на функциональные зоны определило основные инженерные решения по климатическим системам здания, т. к. к каждой из зон предъявляются свои требования как по условиям эксплуатации, так и по обеспечению микроклимата. Архитектурно зрительская и артистическая части здания, а также технические и вспомогательные помещения решены в соответствии с нормативными требованиями, соответственно, при проектировании инженерных систем для этих зон были использованы традиционные решения. Главной особенностью рассматриваемого объекта, так сказать, его изюминкой, со всех точек зрения является зрительный зал, поэтому основное внимание в данной статье будет посвящено системам, его обслуживающим. Надо отметить, что с самого начала проектирования была поставлена задача, построить с точки зрения акустики один из лучших залов в Европе. Для этого к процессу проектирования была привлечена компания Nagata Acoustic (Япония), один из мировых лидеров в вопросах строительной акустики, активно участвующая в разработке всех без исключения разделов проекта на всех стадиях его реализации.

Поэтому основную сложность и интерес при проектировании систем отопления, вентиляции и кондиционирования представляет именно зрительный зал, для которого обеспечение комфортного микроклимата неразрывно связано с выполнением жесточайших акустических требований.

Рисунок 1. Четыре функциональные зоны здания

Отопление

Архитектурное решение зрительного зала таково, что он представляет собой «акустическую» капсулу внутри здания, связанную с окружающей средой только через кровлю. При этом все наружные ограждения приходятся на уровень технического настила, отделенного от основного объема зала акустическим потолком, выполняемым из деревянных панелей толщиной 200 мм. Таким образом, имеют место только теплопотери через кровлю на уровне технического настила. Данное обстоятельство позволило полностью отказаться от размещения в зале приборов отопления, расположив их по периметру технического настила. Приборы подобраны таким образом, чтобы обеспечить поддержание в зале температуры не ниже 15 °С в промежутках между спектаклями. Перед спектаклем температура в зале доводится системами приточно-вытяжной вентиляции до 20 °С, а во время спектакля имеются значительные тепловыделения от приборов постановочного освещения и собственно зрителей.

Вентиляция и кондиционирование

Зрительный зал архитектурно решен в форме амфитеатра, т. е. сцена и оркестровая яма размещаются в центре зала, а места для зрителей расположены с двух сторон от нее (рис. 2). Отработанные на практике решения вентиляции залов классической конфигурации, состоящих из двух частей, разделенных занавесом, – сцены и зрительских мест, – в данном случае не могут быть использованы.

Рисунок 2. Схема зрительного зала

Зал условно можно разделить на три части – партер с боковыми балконами, сцена с оркестровой ямой и задняя часть зала, называемая архитекторами, – хор. Изначальная архитектурная идея зала состояла в том, что он будет обслуживаться по принципу вытесняющей вентиляции. Для этого под партером, боковыми балконами и хором в строительных конструкциях предусмотрены камеры статического давления, в которые подается приточный воздух. Кроме того, большая часть зрительных мест оборудована креслами со встроенными низкоскоростными воздухораспределителями (рис. 3).

Рисунок 3. Установка воздухораспределитей в зрительном зале

Таким образом, принципы воздухораспределения были заложены в проект еще на стадии определения геометрии зала и получены нами в качестве исходных данных.

Акустические требования к залу в целом состояли в обеспечении критерия шумности NC (noise criteria – критерий шума) на уровне 15–20, что соответствует уровню шума 18–23 дБ(А). В то же время, акустическая облицовка зала должна быть однородной, т. е. установка на ней каких-либо воздухораспределительных устройств не допускалась.

Задача по вентиляции зрительного зала кратко может быть сформулирована следующим образом: «Обеспечить комфортные параметры воздуха в зонах размещения зрителей и в рабочих зонах сцены и оркестровой ямы, применяя системы вентиляции вытесняющего типа, установив уровень шума не выше 23 дБ(А), не используя воздухорас-пределители в акустической обшивке стен и потолка».

Рисунок 4. Вентиляционные коридоры в плане

Минимальный расход наружного воздуха, подаваемый на каждого зрителя, по санитарным нормам составляет 20 м³/ч, а на каждого артиста – 60 м³/ч.

Для обеспечения нормируемых параметров внутреннего воздуха в зале (см. табл.) проектом предусмотрены три приточно-вытяжные системы центрального кондиционирования на базе оборудования фирмы Lennox, обслуживающие партер, сцену и хор соответственно. Анализ проектных решений по сценографии показал, что основная часть приборов постановочного освещения (~85 %, установочная мощность – 1 100 кВт) сосредоточена над сценой и установлена за акустическим потолком. Это привело к тому, что теплопритоки от постановочного освещения определялись лучистым теплом от осветительных приборов с учетом коэффициента одновременности их работы. Конвекционная составляющая теплоизбытков от приборов постановочного освещения остается на уровне технического настила за акустическим потолком зрительного зала. Теплоизбытки от постановочного освещения можно считать сосредоточенными в зоне сцены, и при расчете не учитывать зон партера и хора. Еще одним источником тепловыделений, а также единственным источником влаги в зрительном зале являются люди – зрители и артисты. Таким образом, для каждой из трех зон были определены тепло- и влагоизбытки и тепловлажностное отношение, на основании которого при помощи i-d диаграммы были определены процессы обработки воздуха и их расходно-энергетические характеристики.

Использование принципа вытесняющей вентиляции привело к ограничениям величины максимальной разницы температур приточного воздуха и воздуха в рабочей зоне. В мировом опыте проектирования подобных систем эта величина принята 3 °С. Исходя из этой разности температур, были определены расходы воздуха для каждой из зон. Для зоны партера расход приточного воздуха составил 39 125 м³/ч, для зоны хора – 26 325 м³/ч, для сцены – 13 200 м³/ч.

В теплый период года системы центрального кондиционирования зала работают по прямоточной схеме, при этом воздух подвергается следующей обработке – двухступенчатая очистка в фильтрах класса EU4 и EU7, охлаждение с осушением в поверхностном воздухоохладителе и последующий нагрев в поверхностном воздухонагревателе. В холодный период года системы работают в режиме частичной рециркуляции, при этом наружный воздух подается в количестве, определяемом требованиями санитарных норм (в зону партера – 12 780 м³/ч, в зону хора – 9 000 м³/ч, в зону сцены – 3 000 м³/ч). Поскольку размеры вентиляционных камер довольно ограничены, была принята следующая схема воздухообработки – наружный воздух очищается в двухступенчатом фильтре, нагревается в поверхностном воздухонагревателе и увлажняется пароувлажнителем, после чего смешивается с рециркуляционным воздухом и подается в рабочую зону. Процессы обработки воздуха в i-d диаграмме для теплого и холодного периодов показаны на рис. 5.

Рисунок 5. Процессы обработки воздуха в i-d диаграмме для теплого и холодного периодов

Если с подачей приточного воздуха в зал все было ясно, то поиск решения по удалению вытяжного воздуха из зрительного зала, отвечающего, в первую очередь, требованиям акустиков, занял более длительное время. Необходимо отметить, что в выработке этого решения активно принимали участие не только специалисты нашей компании, но также архитекторы и конструкторы. Это позволило найти оптимальное решение с точки зрения воздухораспределения и акустики, вписать его в интерьер, а также учесть в конструктивных решениях здания. Решение по удалению вытяжного воздуха из зала таково – вдоль длинных стен зала на уровне шестого этажа здания предусмотрено два вентиляционных коридора, связанных с залом 92 отверстиями размером 300х970 мм (рис. 4, 6), обеспечивающими удаление воздуха из зала со скоростью 0,95 м/с. Из вентиляционных коридоров воздух через сеть воздуховодов направляется к установкам. Такое решение по организации удаления вытяжного воздуха из зрительного зала позволило выполнить требования акустиков, не вмешиваясь в интерьер зала. Наружные стены вентиляционных коридоров по акустическим требованиям – двойные. Первый слой представляет собой усиленную и утепленную кровельную конструкцию, затем воздушная прослойка около 70 мм и монолитная бетонная стена толщиной 150 мм. Кроме того, вентиляционный коридор с внутренней стороны обшивается акустической изоляцией толщиной не менее 50 мм.

Рисунок 6. Схема вентиляционных коридоров в разрезе

Принципиальная схема вентиляции зрительного зала представлена на рис. 7.

Как видно из рис. 7, вентиляционные коридоры использованы и для организации систем дымоудаления из зрительного зала, о чем более подробно будет рассказано ниже.

Рисунок 7 (подробнее)   Принципиальная схема вентиляции зрительного зала

В процессе проработки проекта уточнялось количество кресел, в которых не могут быть предусмотрены воздухораспределители. Такие кресла предполагается установить на балконе четвертого этажа, т. к. под ними конструктивно не выполнить камеру статического давления, а также в зонах партера, которые возможно будут использоваться для установки дополнительного постановочного оборудования (пульты режиссеров, кабины сурдопереводчиков и т. д.), а также телекамер. Чтобы обеспечить расчетный воздухообмен в зале при подвижности воздуха в рабочей зоне не выше 0,2 м/с, а также не превысить допустимый уровень шума, проектом предусмотрена установка низкоскоростных воздухораспределителей фирмы Halton в ступеньках.

Отдельно следует отметить проблемы, связанные с обеспечением допустимого уровня шума. Приточно-вытяжные установки оснащаются шумоглушителями на сторонах всасывания и нагнетания. Кроме того, на сетях воздуховодов последовательно установлены глушители в количестве не менее 8 штук от вентиляционной установки до конечного участка в камере статического давления (для приточных систем) либо вентиляционного коридора (для вытяжных систем). При этом рекомендация консультантов по акустике состояла в том, что предпочтительно использовать не прямые шумоглушители, а поворотные.

Особое внимание при проектировании климатических систем было уделено способам крепления сетей к строительным конструкциям, а также узлам прохода сетей через стены и перекрытия. Структурный шум от различных сетей с учетом наложений, передающийся к строительным конструкциям и в итоге к акустической обшивке зала, может значительно ухудшить звуковые характеристики зала. Исходя из богатого опыта строительства концертных залов и театров, консультанты по акустике потребовали монтировать все сети с использованием в монтажных системах виброизоляторов, имеющих частоту собственных колебаний не более 20 Гц. Для выполнения этого требования было проработано множество вариантов, мы связывались с ведущими организациями и компаниями, производящими виброизоляционные изделия, как отечественными, так и зарубежными. В итоге было найдено решение, удовлетворяющее всех, достаточно удобное в монтаже и надежное в эксплуатации.

Узлы прохода через стены и перекрытия не были столь нестандартной задачей, и при их проработке кроме акустических требований учитывались также требования пожарной безопасности.

Противодымная защита

Жесткие требования со стороны акустики к размещению на обшивке зала каких-либо посторонних предметов распространяются не только на системы вентиляции, но также и на все без исключения инженерные системы здания. Кроме того, акустические панели изготавливаются из специальных пород древесины по особой технологии и весьма чувствительны к влажностному режиму в зале. По этим причинам зрительный зал, несмотря на требования НПБ 110–03, не оборудовался системами автоматического пожаротушения. Единственной системой, обеспечивающей безопасную эвакуацию зрителей и артистов при возникновении пожара в зрительном зале, является система дымоудаления. Особенностью проектирования данной системы было то, что обеспечить безопасность необходимо для большого числа людей, располагающихся в одном помещении на различной высоте. Перепад высот между оркестровой ямой и верхним рядом зрительных мест составляет 13,95 м. Проектирование системы дымоудаления из зрительного зала велось из условия обеспечения безопасности эвакуационных выходов. Расход в системе дымоудаления зала составляет 250 000 м³/ч. По архитектурным требованиям не допускалось размещение какого бы то ни было оборудования на кровле, а акустические требования распространяются в том числе и на системы противодымной защиты. По согласованию с разработчиками противопожарной концепции для систем дымоудаления предусмотрено использовать те же боковые вентиляционные коридоры на шестом этаже, что и для систем общеобменной вентиляции. Для реализации этой идеи проектом предусмотрена установка в вентиляционных коридорах десяти осевых вентиляторов дымо-удаления производства фирмы VEZA. Сложность заключалась в том, что, являясь аварийными, системы дымоудаления проходят через наружные стены коридоров кратчайшим путем и представляют собой «акустические мостики» между наружной территорией и зрительным залом. Для исключения негативного акустического влияния систем дымоудаления при участии акустиков была разработана схема системы дымоудаления, включающая в себя два поворотных глушителя, дымоприемный клапан, вентилятор и обратный клапан. Кроме того, вся система изолируется противопожарной изоляцией толщиной 100 мм для обеспечения акустических требований.

Холодоснабжение

Как уже отмечалось, размещение любого оборудования, в том числе холодильного, на кровле здания категорически не допускалось архитекторами. Для размещения холодильного оборудования архитекторами было выделено помещение на шестом этаже в новой части здания. Были выбраны две моноблочные холодильные машины со встроенными напорными вентиляторами марки MCC212PKLN производства фирмы Lennox. Расположение холодильного центра над вентиляционной камерой позволило организовать общий воздухозабор на нужды вентиляции и на охлаждение конденсаторов холодильных машин. Для выброса воздуха после конденсаторов с учетом стесненных условий, когда не было места для организации специальной сети воздуховодов, в помещении холодильного центра была предусмотрена антресоль из строительных конструкций, являющаяся выбросным каналом с решеткой (рис. 8).

Рисунок 8 (подробнее)   Схема охлаждения конденсаторов в разрезе

Заключение

В заключение хотелось бы обобщить некоторые полученные резуль-таты. Зрительный зал обслуживают три приточно-вытяжные установки общей производительностью 78 650 м³/ч, из них минимальный расход наружного воздуха – 24 780 м³/ч, производительность воздухонагревателей в холодный период – 250 кВт, в теплый период – 193,6 кВт, производительность воздухоохладителей – 340 кВт, производительность паровых увлажнителей – 92,9 кг/ч. Установленная электрическая мощность вентиляционных установок – 123 кВт, холодильного оборудования – 240 кВт. Производительность систем дымоудаления из зрительного зала – 250 000 м³/ч, установленная мощность электродвигателей – 110 кВт.

Следует отметить, что решение большого круга сложнейших задач на рассматриваемом объекте за довольно короткое время стало возможным благодаря не только высокому профеcсионализму сотрудников компании, но и теснейшему взаимодействию с разработчиками архитектурного и конструкционных разделов, специалистами по акустике и противопожарной безопасности.